[发明专利]一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构

说明书

本发明涉及拓扑光子晶体及集成光子芯片领域，公开了一种光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构，包括硅基底，所述硅基底通过三个分界线分割成四个区域，四个区域内第一圆形空气孔和第二圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置并在分界线处形成四个拓扑波导结构，其中位于两侧的第二拓扑波导和第四拓扑波导分别采用半径不同的空气孔。两个波段的光波由第一拓扑波导进入，其中一个波段从第二拓扑波导出射，另一波段从第四拓扑波导出射，本发明可以用于实现微纳结构上的通讯光波段波分复用。

技术领域

本发明涉及拓扑光子学及集成光子学领域，具体是一种基于拓扑边缘态调控的光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构。

背景技术

基于全电介质材料微纳尺度的能谷光子晶体波分复用器件，在拓扑光子学和集成光子学领域潜在应用。目前，基于拓扑光子晶体的波分复用器件，仍存在结构设计复杂，无法在微纳结构中实现的问题，不能满足集成光子芯片中高集成度等实际应用要求。

2006年，Tapio Niemi小组（Wavelength-division demultiplexing usingphotonic crystal waveguides, 2006, IEEE Photonics Technology Letters,18, 226-228）设计了一种基于平庸光子晶体线缺陷波导的波分解复用器件，通过改变缺陷两侧的光子晶体气孔尺寸实现了通讯光波段的波分复用。

2020年，董建文小组（Frequency range dependent topological phases andphotonic detouring in valley photonic crystals, 2020, Physical Review B,102,174202）设计了一种金属能谷光子晶体结构，由金属棒阵列的三角晶格构成，利用在双带隙能谷光子晶体中引入边缘态频率自由度实现了12 GHz – 22 GHz波段的波分复用功能。

但现有技术中，拓扑光子晶体实现的波分复用器件，存在无法在微纳结构中实现并用以光通讯波段的问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于拓扑边缘态调控的光通讯波段波分复用硅基能谷光子晶体结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种实现通讯光波段波分复用功能的硅基能谷光子晶体结构，包括：所述硅基底，所述硅基底上设置有第一分界线、第二分界线和第三分界线，第一分界线位于光入射方向所在的直线上，第二分界线和第三分界线对称设置在其两侧，且其一端连接第一分界线中部，另一端向靠近光入射一侧倾斜后，又向平行于第一分界线并远离光入射一侧的方向延伸至光子晶体结构边缘；第一分界线、第二分界线和第三分界线将硅基底分割成第一区域，第二区域、第三区域和第四区域；

所述硅基底上分布有多个圆形的空气孔，所述空气孔包括第一圆形空气孔、第二圆形空气孔和第三圆形空气孔；第一圆形空气孔的半径大于第三圆形空气孔，第三圆形空气孔的半径大于第二圆形空气孔；

所述第一区域、第二区域、第三区域和第四区域内，第一圆形空气孔和第二圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置，且第一区域和第四区域其靠近第一分界线处分别设置有一排第一圆形空气孔形成第一拓扑波导；第二区域和第三区域靠近第一分界线处分别设置有一排第二圆形空气孔形成第三拓扑波导；所述第一区域和第二区域在第二分界线处分别设置有一排第一圆形空气孔形成第二拓扑波导；所述第三区域和第四区域在第三分界线两侧分别设置有一排第三圆形空气孔形成第四拓扑波导。

所述硅基底的折射率为3.48，空气孔的折射率为1。

所述三角晶格的晶格常数为a=450 nm，第一圆形空气孔的半径为r_a=120 nm，第二圆形空气孔的半径为r_b=40 nm。